三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT试验分析

 利用RMT150岩石力学测试系统和高分辨率Sensation 40型医用CT机,对恒定围压下不同轴向加载应力阶段的粉砂岩试样进行多次CT扫描试验,得到了不同轴向应力条件下岩石断面的CT图像特征。基于CT数原理,分析了岩石不同应力状态下的损伤演化过程与损伤程度,通过试样CT图像三维重建,较真实地反应了岩石试样细观损伤过程。试验研究表明：试样在试验过程中经历压密、扩容及破坏阶段;岩石压缩损伤演化是有一个相对较长应力段的量变积累过程,裂纹产生及其扩展的质变过程具有突发性;试样破坏后,远离破裂面区域存在“密度回弹”现象。     

微波照射下含水率对岩石强度弱化的影响

为探究微波照射条件下含水率的变化对岩石强度以及破坏特征的影响规律,分析微波辐射下岩样内部裂纹扩展演化过程,根据岩样在水中浸泡时间的差异,将加工好的玄武岩岩样分成4组,用微波辐射岩样,随后进行CT扫描和抗剪强度试验。结果表明,在设计的含水率变化范围内,岩样在微波辐射下,吸波矿物所在的区域产生损伤,且损伤程度与含水率成正比,并表现出局部化特征;随着含水率的增长,岩样的抗剪强度呈下降趋势,最后的破坏形态为岩样剪切面邻近区域裂纹变多,岩样整体破碎加剧。     

破坏单元消去法在岩石非线性断裂研究中的应用

提出破坏单元网格消去法模拟裂纹扩展,将细观单元损伤度的值作为判断其损伤破坏依据,利用高性能并行计算实现岩石三维破裂过程的数值模拟.对岩石试样Ⅰ型裂纹的破坏过程进行数值模拟,研究高边坡岩体滑坡破坏问题,给出裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响.结果表明,岩石Ⅰ型裂纹仿真试验和物理试验得到的极限强度吻合较好,高边坡岩体滑坡破坏数值试验和实地观测水平位移吻合较好,说明破坏单元消去法能够清晰直观地模拟岩石非线性破裂过程.     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性研究

为了解锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性,对该工程区典型岩爆岩样系统地开展了岩石力学特性试验研究。试验结果表明岩样较完整坚硬、抗压强度高,主要以脆性破坏形式为主;典型地层试样的岩爆倾向性指数平均值W_et均大于2.0,当地处高应力区时,岩爆特征明显;岩样卸围压破坏过程中变形特征规律为初始卸载围压越大,岩石的扩容效应越显著,与常规三轴压缩试验相比,岩样卸荷破坏的峰后应力跌落时的轴向应变变化较小,初始围压越大脆性破坏特征越明显;CT扫描断面与图像重组手段分析表明,试样在卸荷试验过程中,首先经历压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后存在“密度回弹”现象。卸围压试验中,试样瞬间发生破坏,多数伴有破裂响声,多数产生“双剪”破坏;利用岩体基本质量指标来描述岩石坚硬程度和岩体完整程度,提出了一种新的岩爆判据形式与分级标准,利用试验成果对提出的岩爆判据与分级进行了验证,结论与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际情况相符。     

混凝土CT 图像中等效裂纹区域的定量分析

从细观尺度观察,混凝土材料可看作由骨料、砂浆及其结合面构成的不均匀复合材料.为研究加载时裂纹在混凝土内部结构中扩展的过程,采用X射线CT扫描技术获得单轴动载条件下混凝土破裂过程的系列CT图像.对于CT图像中裂纹信息的提取,传统的方法是将CT图像中的低密度区作为裂纹区域,无法准确地识别裂纹和判定裂纹具体形态.本文根据差值CT图像是否出现线状或环状影像判断裂纹的存在.通过变换差值CT图像中像素值的阈值范围分析裂纹的分布特点.根据CT物理原理确定等效裂纹区域.探讨了混凝土CT图像中裂纹及其形态的判定时存在的问题.     

非贯通裂隙岩体的单轴压缩颗粒流数值模拟

通过颗粒流数值模拟带预制裂隙岩样的单轴压缩破裂过程,分析2组裂隙之间的错开程度对岩样破裂过程中的裂纹扩展规律及机制的影响。结果表明,裂隙间不同错开程度的岩样中的破裂模式大致相同,主要产生剪切裂纹和张拉裂纹,两者相互贯通将岩样大致分成4块;颗粒位移方向的变化是内部裂纹萌生和扩展的直观响应;岩样在压裂过程中大致可分为弹性阶段、峰前裂纹的萌生及稳定扩展阶段、峰后裂纹快速扩展失稳阶段;压裂破坏过程中产生的总能量,一部分储存于颗粒内部,一部分散失,裂纹萌生之时恰是耗散能增加之时。     

单轴压缩条件下混凝土细观破裂过程的X射线CT实时观测

应用X射线CT对单轴压缩条件下混凝土的细观破裂过程进行了实时扫描观测，获得了混凝土试件内部CT尺度裂纹开裂、扩展、连通的全过程CT图像。分析混凝土试件各扫描断面大统计区域平均CT数变化，表明静力压缩条件下混凝土在强度峰值前的CT数呈均匀变化，表现为整体压密和扩容。小统计区域平均CT数变化则对裂纹萌生更敏感。对CT图像进行等密度分割，可以精确地显示裂纹萌生部位和扩展过程。CT图像显示,混凝土材料进入屈服阶段的现象是不同的CT尺度裂纹各自变形和扩展，裂纹发生部位在砂浆与骨料之间。进入软化阶段的现象是不同的CT尺度裂纹相互贯通。分析结果表明，非线性阶段CT尺度裂纹的扩展和变形对混凝土强度和变形有决定性影响。     

动荷载作用下岩石裂纹的扩展与控制

研究岩石、混凝土等脆性材料在动载作用下的断裂破坏过程,即裂纹产生、裂纹扩展以及裂纹停止,对于研究岩石、混凝土等材料的断裂破坏机理,给工程防护提供设计依据,控制岩石、混凝土等构造物的破坏与断裂方向是非常重要的。本文主要论述了动荷载作用下岩石等脆性材料的断裂破坏机理,裂纹形成与扩展以及裂纹的止裂与控制等内容。     

基于CT-连续加荷水泥乳化沥青混凝土细观损伤规律研究

利用CT技术对水泥乳化沥青混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件在连续加荷下的CT图像。通过采用直观分析法、CT数分析法、CT数与损伤变量关系3种方法分析表明,水泥乳化沥青混凝土的破坏过程可分为压密、扩容、裂纹扩展、破坏4个阶段,同时混凝土在受压过程中具有韧性,在极限荷载之前各断面处于压密和微扩容的强化阶段,极限荷载之后混凝土从损伤到破坏发展比较平稳。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

基于分形理论的混凝土动力拉伸过程定量研究

为了从细观层面上定量研究混凝土动荷载作用下的破坏过程,以正弦波动力荷载作用下的混凝土 CT 试验为基础,编制了基于差分盒维数理论的分形维数计算程序,分别研究了混凝土试样三个断面大统计区域和感兴趣区域上的分形维数随加载过程的变化过程,通过分析混凝土试样在加载过程中分维数的变化规律,探讨了分维数变化与损伤裂纹演化过程的关系。结果表明: 正弦波动力拉伸荷载作用时混凝土试样中一般有多条裂纹同时萌生,但当主裂纹形成后,次生裂纹会闭合,主裂纹会抑制次裂纹的发展,且裂纹大致与拉荷载方向垂直,破坏形式属于脆性断裂,损伤裂纹表面平整,裂纹沿材料强度较弱的区域发展; 混凝土试样各断面分形特征明显,分形维数能较好地描述混凝土损伤裂纹的演化规律,可作为研究混凝土裂纹演化的定量参数; 感兴趣区域分维数的变化更明显,更有利于描述混凝土受力破坏时内部的应力集中、应变局部化和损伤裂纹的演化规律。     

含三维内裂纹透明类岩石材料破坏红外热像试验研究

由于目前针对含三维内裂纹的岩石破坏红外热像特征的研究较少,本文基于预埋浇注法制作含内裂纹类岩石试件,开展了单轴压缩块体试验和巴西圆盘劈拉试验,得到含内裂纹的岩石破坏过程,监测内裂纹扩展及试件破坏过程中的红外热像特征,得到以下结论:(1)含三维内裂纹的块体试件在单轴压缩下,在预制内裂纹面上发生剪切破坏;(2)块体试件在单轴压缩作用下红外热像特征明显,在破坏时,在预制内裂纹面处急剧升温;(3)含三维内裂纹巴西圆盘试件在预制内裂纹尖端发生翼型裂纹扩展,边缘带有针刺状Ⅲ型裂纹参与特征,最终翼型裂纹与上下表面贯穿;(4)巴西圆盘试验的红外热像特征与块体单轴压缩不同,在断裂面处未发生明显变化。研究结果为研究三维内裂纹的扩展规律及内裂纹扩展破裂的红外热像规律可提供一定的试验参考。     

结构型钢纤维对混凝土单裂缝渗透特性的影响

为研究纤维对裂隙混凝土渗透性能的影响,借鉴圆盘劈裂试验引入可控裂缝,并采用Supereyes数码显微镜和Image Pro Plus(IPP)图像分析软件对裂缝形态进行了分析。对于带裂缝试件,分别利用变水压和恒定水压渗透试验研究了其抗渗性能;参照达西定律及平板渗流模型,提出了在考虑纤维影响后单裂隙混凝土渗透性能的分析方法。研究表明:在圆盘劈裂试验中素混凝土试件发生脆性破坏、无法控制裂缝的发展速率,而掺入结构型钢纤维后,试件不仅表现出良好的韧性和变形能力,而且可实现裂缝扩展速率的有效控制;结构型钢纤维可提高裂缝曲折度,降低裂缝修正系数和渗透介质通过混凝土的能力。与传统变水压渗透系数相比,恒水压渗透试验得出的修正单裂隙渗透系数可较敏感地反映内部裂缝对混凝土渗透性的影响,定量分析裂缝与混凝土渗透性之间的关系。     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制,通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验,获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明:花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa;花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著,围压越大滞后效应越不明显,延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现,滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型,延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中,损伤区裂隙发展方向单一,延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样,损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展;花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小,由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带,低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块,高围压下延性破坏呈粉碎性状态。     

用非线性弹簧模拟混凝土裂纹扩展的探讨

混凝土的拉伸破坏不是完全脆性的,但目前的非线性有限元分析中往往假定其是脆性断裂。若在模拟过程中能够考虑混凝土的拉伸软化作用,将得到计算精度较高且更符合工程实际的计算结果。以简单计算模型为例,通过MARC软件的二次开发定义非线性弹簧的力学特性,并将其应用于计算模型的裂纹扩展模拟中。计算结果表明,非线性弹簧能够对裂纹扩展进行较好的模拟,且其二次开发较容易实现。另外,试图通过定义非线性弹簧的失效力学特性来考虑混凝土的拉伸软化作用及裂缝的开裂在实际工程应用中仍存在一些问题,如弹簧刚度K的合理取值等,有待于进一步研究。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象

混凝土作为一种人工石材,由于浇筑过程的影响,其断裂破坏过程不可避免地存在一定随机性。利用声发射实时动态无损监测技术,分析了带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件裂缝扩展发生偏移和钢筋混凝土三点弯曲梁破坏荷载循环增减等特殊试验现象存在的客观性。试验分析发现,预制裂缝尖端粗骨料的存在,致使裂缝并非沿着预制裂缝直接向前扩展,而是出现绕道扩展的现象;配筋率过大时,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的破坏荷载值将维持在钢筋极限屈服强度附近循环变化。可见,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的失稳荷载取决于配筋率的高低。研究成果表明声发射技术可为开展混凝土损伤断裂试验提供一种新的研究手段。     

用直裂缝平台巴西圆盘确定混凝土的动态断裂韧度

采用一种直裂缝平台巴西圆盘试件，在分离式霍普金森压杆系统上研究了混凝土动态起裂韧度的测试方法。该方法基于一维应力波理论，利用压杆上的应变信号计算试件所受的动态冲击载荷P(t)，结合动态有限元法求得试件相应的动态应力强度因子KI(t)，再由试件上应变片测得的起裂时间tf对应的临界动态应力强度因子KI (tf)，即为混凝土的动态起裂韧度KId。试验表明，混凝土的动态起裂韧度高于在材料试验机上测得的静态断裂韧度，因为在动态加载情况下，圆盘试件除在预制裂缝方向产生与静态加载一样的裂缝扩展外，还产生大致平行于预制裂缝方向的多重裂缝扩展破坏现象。试件破坏模式、临界破坏时间等是影响混凝土材料动态起裂韧度测试结果的重要因素。